JP6389785B2 - ダウンホール圧縮機 - Google Patents

Description

本発明はダウンホール圧縮機に係り、特に高速回転時の信頼性確保に好適なダウンホール圧縮機に関する。

天然ガス井戸内に設置し天然ガスの産出をアシストするダウンホール圧縮機は、直径数十ｃｍ程度の坑井内に設置されるため、装置の小型化が必要である。圧縮機を小型化すると流路断面積が減少するため、ガス産出量が減少する恐れがある。さらに圧縮機の形式として遠心圧縮機を採用する場合には、小型化に伴う羽根車外径の縮小により、ガスの圧縮に用いられる遠心力が減少するため、圧力比が低下し、ガス産出のための圧力が十分に得られなくなる恐れがある。

このような小型化に伴う流量減少、圧力比減少を補うために、ダウンホール圧縮機ではロータ回転速度の高速化が求められる。すなわち、ロータ回転の高速化により流速が増加するため、ガス流量が増加する。また、高速化により遠心力が増加するため、圧力比が増加する。例えば（特許文献１）に開示されているダウンホール圧縮機では20,000ｒｐｍから50,000ｒｐｍの高回転速度で運転されている。

一般的な産業用ターボ機械では油潤滑すべり軸受や転がり軸受が広く用いられているが、ダウンホール圧縮機のような高速回転機械では軸受の発熱量が過大となるため、これらの一般的な軸受の適用は困難である。この対応策として、例えば上記公知例では天然ガスを昇圧して用いる静圧気体軸受を採用している。気体軸受では潤滑材である気体の粘性が油などの液体と比較して非常に小さいため潤滑材の発熱が低く抑えられ、軸受の信頼性が確保されると考えられる。

米国特許第７３３８２６２号公報

坑井内の天然ガスには水や油などの液体、土砂などの固体などの異物が混入することがある。天然ガスを気体軸受の潤滑剤として使用する場合、このような異物の混入は発熱増加や物理的な損傷の原因となり、軸受の信頼性を低下させる可能性がある。このような異物をセパレータなどを用いて低減する構成も考えられるが、異物を完全に除去できない恐れがあり、軸受の信頼性を十分に確保できない可能性がある。

一方、圧縮機の作動流体としての天然ガスに異物が混入すると、流体の密度や粘度などの物性が変化する。このため異物の混入を考慮せずに圧縮機を運転すると、羽根車の作動特性の変化により、運転効率の低下、過大流体力の発生、流体不安定現象の発生などの懸念がある。気体軸受を用いたダウンホール圧縮機ではこのようなガス物性の変化を察知することが難しく、装置の信頼性を十分に確保できない可能性がある。

また、天然ガスへの異物の混入により羽根車に作用するスラスト荷重が増加する可能性がある。気体軸受のような高速用軸受では油軸受などと比較すると一般に負荷容量が小さいため、異物混入による大きなスラスト荷重に対応する設計が難しくなる。

そこで本発明の目的は、異物混入などにより天然ガスの物性が変化しても高速回転時の信頼性を確保できるダウンホール圧縮機を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は井戸内に設置されたケーシングと、該ケーシングに内蔵されたロータと、該ロータに配置された羽根車を有するダウンホール圧縮機であって、前記ケーシング内における前記ロータの相対位置を電磁的に制御する電磁制御手段を備えたことを特徴とするものである。

更に、本発明はダウンホール圧縮機であって、前記電磁制御手段としてベアリングレスモータを備えたことを特徴とするものである。

更に、本発明はダウンホール圧縮機であって、前記電磁制御手段は磁気軸受を備えたことを特徴とするものである。

更に、本発明はダウンホール圧縮機であって、前記羽根車の背面部に圧力調整室を設け、前記羽根車の出口部と前記圧力調整室との間に軸封装置を備え、前記圧力調整室と前記羽根車の入口部との間に連通手段を備えたことを特徴とするものである。

更に、本発明はダウンホール圧縮機であって、前記ロータの軸方向変位を計測する変位計を備え、該変位計を前記羽根車の背面部に備えたことを特徴とするものである。

更に、本発明はダウンホール圧縮機であって、前記軸封装置の漏れ量が、前記ロータが軸方向上流側に変位した時に小さくなることを特徴とするものである。

更に、本発明はダウンホール圧縮機であって、前記軸封装置は軸方向間隙を有し、該軸方向間隙は前記ロータが軸方向上流側に変位した時に小さくなることを特徴とするものである。

更に、本発明はダウンホール圧縮機であって、前記電磁制御手段の制御装置を地上に配置したことを特徴とするものである。

更に、本発明はダウンホール圧縮機であって、前記電磁制御手段の制御信号を用いて運転条件を決定することを特徴とするものである。

本発明によれば、ロータの位置を電磁的に制御することにより、天然ガスなどの潤滑剤を使用せずにロータを支持できるため、潤滑材の発熱による軸受の信頼性低下を防止できる。また、軸支持特性に対する天然ガスの物性変化の影響が無いため、装置の信頼性を安定して確保できる。

本発明の第１の実施例に係るダウンホール圧縮機の要部断面図である。 本発明の第１の実施例に係るダウンホール圧縮機の設置状態を表す断面図である。 本発明の第２の実施例に係るダウンホール圧縮機の要部断面図である。 本発明の第３の実施例に係るダウンホール圧縮機の要部断面図である。 本発明の第４の実施例に係るダウンホール圧縮機の要部断面図である。

以下に、本発明を実施するための形態を、図面を用いて説明する。

図１は本発明の第１の実施例に係るダウンホール圧縮機１の要部断面図である。

ロータ２の端部には羽根車３が設置されており、ロータ２が回転することにより天然ガスを加圧する。羽根車３に発生するスラスト荷重は図示しないスラスト軸受により支持されている。ロータ２の中央部に設置したベアリングレスモータ４はロータ２に駆動トルクを発生させるとともに、図示しないケーシングとロータ２との相対位置が概略一定となるように電磁力を発生させることによりロータ２を支持している。ロータ２の位置を電磁的に制御しているため、天然ガスの物性が変化してもロータ２の支持特性は変化せず、ロータ２を安定して支持できる。

図２は本実施例に係るダウンホール圧縮機１の設置状態を表す断面図である。ダウンホール圧縮機１は天然ガス井戸５の中に設置されている。ベアリングレスモータ４のコントローラ６は地上１５に設置されており、ダウンホール圧縮機１とコントローラ６はケーブル７によって接続されている。コントローラ６が地上１５に設置されていることによりベアリングレスモータ４の制御信号を容易に取り出すことができ、ダウンホール圧縮機１の運転条件の設定に利用できる。

ダウンホール圧縮機１のケーシング内におけるロータ２の位置を制御する電磁気的制御力は制御電流の２乗に比例するので、制御電流をモニタリングすることによりロータ２に作用する動的な流体力を把握できる。この流体力と羽根車３の作動特性、駆動トルク、回転速度などを照合することにより天然ガスの物性およびその非定常性を推定することができる。推定したガス物性と羽根車３の作動特性を照合することにより回転速度などの運転条件を適切に設定し、羽根車３に作用する過大流体力や流体不安定現象の発生を防止することができる。例えばガス中の液分が増加して流体力が増加した場合にはロータ２の回転速度を減速することにより流体力を低減し、装置の信頼性を確保できる。

本発明の第２の実施例を図３を用いて説明する。図３は本実施例に係るダウンホール圧縮機１の要部断面図である。本実施例の構成で実施例１と同じ符号の部材は同様の構成、効果を備えるので説明を省略し、前述の実施例１と異なる点のみ説明する。

本実施例ではロータ２に駆動トルクを発生する手段としてベアリングレスモータ４の代わりにモータ８が配置されている。また、ロータ２の位置の電磁制御手段としては、ベアリングレスモータ４の代わりに図示しないケーシングに設置した磁気軸受９を使用している。モータ８の両側には軸直角方向の荷重を支持するラジアル磁気軸受９ａが配置されている。また、モータ８と羽根車３の間にはスラスト荷重を伝達するスラストカラー１０が配置されており、スラストカラー１０の両側にスラスト磁気軸受９ｂが配置されている。磁気軸受９には変位センサと電磁アクチュエータが内蔵されており、ケーシング内におけるロータ２の位置が概略一定となるように電磁力を制御されている。モータ８から独立した磁気軸受９を使用することにより負荷容量を増加でき、信頼性を向上することができる。

次に本発明の第３の実施例について図４を用いて説明する。

図４は本実施例に係るダウンホール圧縮機１の要部断面図である。本実施例の構成で前述の実施例と同じ符号の部材は同様の構成、効果を備えているので説明を省略し、前述の実施例と異なる点のみ説明する。図３に示した第２の実施例では、羽根車３の流路部における圧力は入口部３ｂから出口部３ａにかけて増加するが、羽根車３の背面における圧力は圧縮機３の出口部３ａの圧力とほぼ等しくなるため、羽根車３には背面側から流路側に向かってスラスト荷重が発生する。一般的な油潤滑軸受と比較すると磁気軸受９の負荷容量は小さいため、磁気軸受９をダウンホール圧縮機１に適用する場合にはスラスト荷重を極力低減することが望ましい。

第３の実施例では羽根車３の背面部に軸封装置１２を設置し、圧力調整室１１を構成している。また、圧力調整室１１と羽根車３の入口部３ｂとの間には連通手段１３を設けており、圧力調整室１１の圧力を低減している。このため、羽根車３背面の圧力を低減してスラスト荷重を低減でき、スラスト磁気軸受９ｂの信頼性を向上できる。

また、本実施例においてスラスト荷重を安定させるためには、軸封装置１２の軸方向間隙を一定に保つことが望ましい。そこで、本実施例ではスラスト磁気軸受９ｂの制御に用いる軸方向ロータ３の位置センサ１４を羽根車３背面部に設けており、軸封装置１２の間隙を一定に保つようにスラスト磁気軸受９ｂを制御している。

なお、本実施例では連通手段１３としてロータ２の羽根車３固定部に軸方向の溝を設けているが、軸方向溝を羽根車３側に設けても良く、ロータ２や羽根車３に連通孔を設けても良い。

次に本発明の第４の実施例について図５を用いて説明する。

図５は本実施例に係るダウンホール圧縮機１の要部断面図である。本実施例の構成で前述の実施例と同じ符号の部材は同様の構成、効果を備えているので説明を省略し、前述の実施例と異なる点のみ説明する。

本実施例では軸封装置１２が羽根車３外径部に設置されている。軸封装置１２は羽根車３外周に対抗するいわゆるラビリンスシール１２ａと羽根車３流路側に張り出した軸方向間隙部１２ｂを有する。軸封装置１２の漏れ量が増加すると羽根車３の背圧が増加してスラスト荷重が増加し、ロータ２が軸方向上流側に移動する。このとき、軸封装置１２の軸方向間隙１２ｂが小さくなり、軸封装置１２の漏れ量が減少するため、スラスト荷重が減少し、ロータ２が軸方向下流側に押し戻される。このようにロータ２の動きに応じてスラスト荷重が自動的に調整されるため、スラスト磁気軸受９ｂに作用するスラスト荷重を適正化でき、装置の信頼性を向上できる。

尚、第４の実施例においても第３の実施例に示した軸方向ロータ３に位置センサ１４を設けて、軸封装置１２の間隙を一定に保つようにスラスト磁気軸受９ｂを制御することも可能である。

１…ダウンホール圧縮機
２…ロータ
３…羽根車
３ａ…羽根車の出口部
３ｂ…羽根車の入口部
４…ベアリングレスモータ
５…天然ガス井戸
６…コントローラ
７…ケーブル
８…モータ
９…磁気軸受
９ａ…ラジアル磁気軸受
９ｂ…スラスト磁気軸受
１０…スラストカラー
１１…圧力調整室
１２…軸封装置
１３…連通手段
１４…軸方向ロータ位置センサ
１５…地上

Claims (6)

1. 井戸内に設置されたケーシングと、
   該ケーシングに内蔵されたロータと、
   該ロータに配置された羽根車を有するダウンホール圧縮機であって、
   前記羽根車の背面部に圧力調整室を設け、
   前記羽根車の出口部と前記圧力調整室との間に軸封装置を備え、
   前記圧力調整室と前記羽根車の入口部との間に連通手段を備え、
   かつ、前記ケーシング内における前記ロータの相対位置を電磁的に制御する電磁制御手段を備え、
   前記軸封装置の漏れ量が、前記ロータが軸方向上流側に変位した時に小さくなることを特徴とするダウンホール圧縮機。
2. 請求項１のダウンホール圧縮機であって、
   前記電磁制御手段としてベアリングレスモータを備えたことを特徴とするダウンホール圧縮機。
3. 請求項１のダウンホール圧縮機であって、
   前記電磁制御手段は磁気軸受を備えたことを特徴とするダウンホール圧縮機。
4. 請求項1のダウンホール圧縮機であって、
   前記ロータの軸方向変位を計測する変位計を備え、
   該変位計を前記羽根車の背面部に備えたことを特徴とするダウンホール圧縮機。
5. 請求項1のダウンホール圧縮機であって、
   前記軸封装置は軸方向間隙を有し、該軸方向間隙は前記ロータが軸方向上流側に変位した時に小さくなることを特徴とするダウンホール圧縮機。
6. 請求項１から請求項5のいずれかのダウンホール圧縮機であって、
   前記電磁制御手段の制御装置を地上に配置したことを特徴とするダウンホール圧縮機。

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